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燃料电池供电系统的研究

金科  
【摘要】: 随着人类生活水平的不断提高,对能源的需求大幅度增加。化石能源等不可再生能源正日益枯竭,而且它所造成的环境污染日益严重。氢能作为一种绿色新能源,得到越来越多的应用。氢能利用的一个重要方面就是燃料电池,它将氢和大气中的氧反应转换为电能,其反应产物为纯净水,对环境没有污染,而且噪声也很小。因此燃料电池供电系统的研究对新能源的发展和应用具有重要的意义。 本文提出了燃料电池供电系统的通用结构,根据实际设计情况,通过分析和对比,确定了复合式燃料电池供电系统结构作为本文所要研究系统的结构。该系统由燃料电池、单向变换器、双向变换器、蓄电池和逆变器构成,其中蓄电池通过双向变换器与直流母线并联,该系统具有以下优点:1)由于蓄电池的引入,燃料电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置,从而降低整个系统的成本;2)当负载发生突变燃料电池来不及反应时,可由蓄电池通过双向变换器向负载供电,动态响应快。系统开机时,可以由蓄电池向负载供电,因此便于燃料电池的自启动;3)双向变换器可以控制蓄电池的充放电电流,延长蓄电池的寿命;4)双向变换器的一端与直流母线并联,而直流母线的电压相对比较稳定,因此双向变换器优于设计,可以减小电感大小,从而提高动态性能;5)可以通过选择双向变换器的工作模式来实现系统的能量管理,确保燃料电池和蓄电池协调工作,使得系统可以高效工作。 燃料电池没有功率调节能力,外特性很软,这就要求单向DC-DC变换器可以在很宽的输入电压范围内高效工作。本文将LLC谐振网络引入到复合式全桥三电平变换器中,得到了适合于燃料电池供电系统的复合式全桥三电平LLC谐振变换器。该变换器集成了复合式全桥三电平变换器和LLC谐振变换器的优点:1)适合于宽输入电压范围的应用场合,可以在很宽的输入电压范围内高效工作;2)三电平桥臂的开关管电压应力只有输入电压的一半;3)输出整流二极管实现ZCS,而且其电压应力仅为输出电压;4)可以在全负载范围内实现ZVS;5)输入电流纹波和输出滤波器可以减小。实验结果验证了理论分析的正确性。 在高压的燃料电池供电系统中可采用加箝位二极管ZVS PWM三电平变换器,但原有的变换器存在一定的缺点,本文对原变换器进行改进,将变压器和谐振电感交换位置,使变压器与滞后管相连。改进型加箝位二极管ZVS PWM三电平变换器保留了原变换器消除输出整流管反向恢复引起的电压振荡的优点,并且还具有以下优点:1)在一个周期中,箝位二极管只导通一次,因此其电流定额可以减小;2)零状态时导通损耗小,效率可以提高;3)占空比丢失小。此外,还讨论了隔直电容在不同位置时对变换器工作的影响,确定了一种最佳工程方案,即在改进后变换器的变压器中串联隔直电容,并以一个3kW的原理样机进行了实验验证。 燃料电池动态响应慢,自启动困难,所以系统中引入了蓄电池和双向变换器。本文提出了适合于燃料电池供电系统的三电平Buck/Boost双向变换器。该变换器具有以下优点:1)电感可以大大减小,提高变换器的动态响应,从而优化整个系统的动态特性;2)开关管电压应力仅为高电压端输入电压的一半。由于系统中除了燃料电池外,还有蓄电池作为能量存储装置用来在不同的条件下给负载辅助供电或吸收多余的能量。为了确保系统具有很高的效率和可靠的稳定性,必须保证燃料电池和蓄电池协调工作,对整个系统的能量走向流进行管理。本文提出了系统的能量管理控制思路,其核心是根据燃料电池和蓄电池的状态来控制双向变换器,使其分别工作在Buck、Boost或关机模式,以此来控制蓄电池的充放电状态,从而对整个系统进行能量管理。本文确定了单向和双向变换器稳压和限流值,以及蓄电池切入切出系统的切换点,着重分析了系统在冷启动和过载时的情况。 根据以上的分析,本文构建了一个1kW的燃料电池供电系统,并对该系统进行了深入的实验研究。实验结果表明,系统在稳态、冷启动、负载突变、过载等条件下均能很好的工作,验证了能量管理控制的有效性。


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